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Mehrstufiger Transistorverstärker Die Erfindung bezieht sich auf einen
mehrstufigen Transistorverstärker mit zwischen einzelnen Stufen eingeschalteten,
in der Übertragungsdämpfung regelbaren, vorzugsweise Dioden enthaltenden Vierpolen
als Kopplungsnetzwerken.
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Bei Verstärkern, die mit Transistoren aufgebaut sind, bietet die Verstärkungsregelung
gewisse Schwierigkeiten. Ändert man nämlich die Verstärkung durch Änderung des Arbeitspunktes
einer oder mehrerer Transistoren, so tritt durch die Änderung des Transistoreingangs-
und -ausgangswiderstandes eine Änderung der Durchlaßkurve auf. Dies beruht auf einer
Verstimmung der Eingangs- und Ausgangskreise. Besonders bei Breitbandverstärkern,
eventuell auch bei Schmalbandverstärkern, ist dies unzulässig. Es wurde deshalb
auch bereits angeregt, eine Verstärkungsregelung eines Transistorverstärkers durch
ein mit dem Verstärker kombiniertes regelbares Dämpfungsnetzwerk oder durch eine
veränderbare Gegenkopplung innerhalb des Verstärkers zu erzielen. Regelbare Dämpfungsnetzwerke
sind dabei vor allem in Gestalt von Spannungsteilern realisiert worden, die einen
nichtlinearen Widerstand enthalten, der von einem aus der Eingangsspannung und der
Ausgangsspannung abgeleiteten Gleichstrom gesteuert wird. Derartige Regelungen sind
unter anderem auch deshalb nicht zur Einführung gekommen, weil ein dem Verstärker
vor- oder nachgeschaltetes Dämpfungsnetzwerk einen Leistungsverlust verursacht.
Außerdem wurde hierzu die Auffassung vertreten, daß die Verwendung von nichtlinearen
Widerständen, z. B. Dioden, zwar eine schnelle Verstärkungsregelung ermöglicht,
aber verhältnismäßig große nichtlineare Verzerrungen und damit einen hohen Klirrfaktor
verursacht. Eine Verstärkungsregelung durch Änderung der Gegenkopplung kann mit
Hilfe von temperaturabhängigen Widerständen vorgenommen werden. Hierzu wird in Fachkreisen
teilweise die Auffassung vertreten, daß in diesem Fall die Verstärkungsregelung
nur langsamen Schwankungen folgen kann. Es wurden außerdem, wie z. B. im deutschen
Patent 1080 146 angegeben, mit Dioden oder Heißleitern arbeitende Dämpfungsnetzwerke
angegeben, die zusätzlich noch einen Transistor enthalten, wodurch die Grunddämpfung
ausgeglichen werden kann. Die Änderung der Frequenzcharakteristik in Abhängigkeit
von der Regelspannung ist hierbei aber immer noch vorhanden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen in seiner Verstärkung
regelbaren mehrstufigen Transistorverstärker in seiner Frequenzcharakteristik wenigstens
nahezu unabhängig von der Verstärkungsregelung zu machen. Insbesondere soll dies
für einen Breitbandverstärker, vor allem mit einem Regelbereich bis zu 40 db und
darüber, gelten.
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Bei einem mehrstufigen Transistorverstärker mit zwischen einzelnen
Stufen eingeschalteten, in der Übertragungsdämpfung regelbaren, vorzugsweise Dioden
enthaltenden Vierpolen als Kopplungsnetzwerken wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung
dadurch gelöst, daß in der Regelung der einzelnen Vierpole eine Bevorrechtigung
in der Weise vorgesehen ist, daß bei zunehmendem Eingangspegel zunächst der in Übertragungsrichtung
letzte regelbare Kopplungsvierpol seinen Regelbereich voll überstreicht und erst
bei weiterem Zunehmen des Eingangspegels der in Übertragungsrichtung davorliegende
Kopplungsvierpol wirksam wird. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn der Regelbereich
des einzelnen Kopplungsvierpols etwa 10 bis 15 db beträgt. Außerdem ist es vorteilhaft,
wenn der Regelbereich etwa der jeweils bis zum nächsten Kopplungsvierpol vorausgehenden
Verstärkung entspricht.
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Vorteilhaft enthält der mehrstufige Transistorverstärker bei Ausbildung
als Breitbandverstärker im einzelnen regelbaren Kopplungsvierpol derart im Wert
frequenzabhängige Schaltelemente, daß sich für den einzelnen Kopplungsvierpol bei
maximaler übertragungsdämpfung wenigstens näherungsweise die gleiche Frequenzcharakteristik
ergibt wie bei minimaler Übertragungsdämpfung.
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Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn zumindest die auf das Kopplungsnetzwerk
folgende Transistorstufe als Basisschaltung ausgebildet ist, und das Kopplungsnetzwerk
in Übertragungsrichtung zunächst einen regelbaren Querwiderstand und darauffolgend
einen regelbaren Längswiderstand hat.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn vor allem bei Verwendung von Dioden,
insbesondere Kristalldioden, als regelbare Widerstände, mit der im
Querzweig
liegenden Diode in Reihe die Parallelschaltung einer Kapazität und eines Ohmschen
Widerstandes vorgesehen sind und/oder parallel zu der im Längszweig liegenden Diode
die Reihenschaltung eines Ohmschen Widerstandes und einer Kapazität geschaltet sind,
und daß die beiden Widerstandswerte zusätzlich derart gewählt sind, daß eine Begrenzung
des Regelbereiches gegeben ist.
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Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert.
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In der F i g. 1 ist zunächst ein Kopplungsvierpol mit drei im Widerstandswert
regelbaren Widerständen D 1, D 2 und D 3 gezeigt, die beim Ausführungsbeispiel
als Dioden ausgebildet sind und vor allem bei dem Erfordernis geringerer Regelgeschwindigkeit
aber auch als Heißleiter od. dgl. ausgebildet sein können. Die drei im Wert regelbaren
Widerstände bilden ein 7-Glied und sind durch Einfügung von Trennkondensatoren C
1, C 2, C 3 und C 4 sowie einer Drossel Dr der getrennten gleichstrommäßigen Beeinflussung
über die Vorwiderstände R 1, R 2 und R 3 zugängig. Die Kondensatoren Cl,
C 3 und C 4 haben dabei gleichzeitig die Funktion von Kopplungskondensatoren zur
Verbindung der dem Kopplungsvierpol vorgeschalteten Transistorstufe mit der dem
Kopplungsvierpol nachgeschalteten Transistorstufe. Wird für den einzelnen Widerstand
der Gleichstrom größer gemacht, so wird sein Widerstandswert geringer. Wird der
ihn durchfließende Strom geringer gemacht, so wird sein Widerstand größer. Die drei
regelbaren Widerstände D1, D 2 und D 3 werden nun mittels der sie
durchfließenden Gleichströme so gesteuert, daß zur Erhöhung der übertragungsdämpfung
des gesamten Vierpols der Widerstand von D 2 größer und der von D 1 und
D 3 kleiner wird. Zweckmäßig ist es hierbei jedoch, nicht den gesamten möglichen
Widerstandsbereich für die Regelung der Übertragungsdämpfung auszunutzen. Vielmehr
empfiehlt es sich, in Reihe mit D 1 einen Widerstand an sich geringen Wertes, z.
B. 20 Ohm, einzufügen, und vor allem nur wechselspannungsmäßig parallel
zu D 2 einen Widerstand nennenswert höheren Widerstandswertes, z. B. 200
Ohm, zu schalten. In Reihe mit D 3 wäre gegebenenfalls ein ähnlicher Widerstand
wie in Reihe zu D 1 zu legen.
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Bei Ausbildung der auf den Kopplungsvierpol in Übertragungsrichtung
darauffolgenden Transistorstufe als Basisschaltung kann der veränderbare Widerstand
D 3 mit Vorteil fortgelassen werden.
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Als zweckmäßig hat sich für die Regelung die Bedingung herauskristallisiert,
wenn der Gleichstrom J 1 durch den veränderbaren Widerstand D 1 und der Gleichstrom
J2 durch den veränderbaren Widerstand D 2 der Gleichung J 1 + J 2
= konstant genügen. Ein etwas größerer Regelbereich bzw. ein etwas besseres frequenzmäßiges
Verhalten läßt sich demgegenüber noch erreichen, wenn J 1 und J 2
gemäß der Bedingung gewählt werden, daß J 1 so lange Null sein soll; wie
J2 ungleich Null ist und umgekehrt. Dies ist vor allem dann vorteilhaft, wenn, wie
vorstehend erwähnt, in Reihe zu D 1 und parallel zu D 2 wechselstrommäßig
Widerstände geschaltet werden, die den Änderungsbereich im Widerstandswert durch
den Querzweig nach niedrigen Widerstandswerten hin begrenzen und für den Längszweig
nach hohen Widerstandswerten hin.
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Für Breitbandverstärker, z. B. mit einer Bandbreite von etwa 40 MHz
und einer zulässigen Frequenzgangsänderung von etwa 0,5 db, erhält ein derartiger
Regelvierpol vorteilhaft einen Regelbereich von etwa 10 bis 15 db. Da derartige
Verstärker in der Praxis einen größeren Regelbereich haben müssen, ist in der Weise
vorzugehen, daß, wie in der F i g. 2 angedeutet, mehrere Regelvierpole vorgesehen
werden, die über vorzugsweise zweistufige Transistorverstärker verbunden sind. Bei
Schmalbandverstärkern gibt man dem Regelvierpol unter Umständen einen größeren Regelbereich.
Den Verstärkungswert, der zwischen aufeinanderfolgenden Regelvierpolen liegenden
Verstärkerstufen bemißt man dann zweckmäßig im Absolutwert etwa gleich der maximal
möglichen Übertragungsdämpfung des jeweils vorausgehenden Regelvierpols.
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Die einzelnen Regelvierpole könnten an sich alle gleichzeitig geregelt
werden. Für einen Breitbandverstärker, beispielsweise für einen Frequenzbereich
von 50 bis 90 MHz ist es jedoch vorteilhaft, eine bevorrechtigte Regelung in der
Weise vorzunehmen, daß bei ansteigendem Eingangspegel zunächst der in Übertragungsrichtung
letzte Regelvierpol des gesamten Verstärkers wirksam wird, und zwar so lange, bis
er seine maximale Übertragungsdämpfung erreicht. Bei weiter ansteigendem Eingangspegel
behält dieser Regelvierpol seine maximale übertragungsdämpfung bei und der unmittelbar
vorausgehende Regelvierpol wird wirksam gemacht, und zwar ebenfalls bis er seinen
Maximalwert erreicht. Steigt der Eingangspegel noch weiter an, so bleiben beide
Regelvierpole auf ihrem maximalen Übertragungsdämpfungswert eingestellt, und der
nächste unmittelbar vorausgehende Regelvierpol wird in gleicher Weise wirksam gemacht.
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Diese Art der Bevorrechtigung, der hinsichtlich der Anzahl der Regelvierpole
keine Grenzen gesetzt ist, hat für Breitbandverstärker den großen Vorteil, daß die
Frequenzcharakteristik des Verstärkers innerhalb des Regelbereiches günstig beeinfiußt
werden kann. Man kann nämlich in den einzelnen Regelvierpol frequenzabhängige Widerstände
so einfügen, daß sich für minimale übertragungsdämpfung des Vierpols und für maximale
Übertragungsdämpfung desselben praktisch gleiche Frequenzcharakteristiken ergeben.
Nur in dem dazwischenliegenden Regelbereich ist dann eine geringfügige Änderung
der Frequenzcharakteristik gegeben. Da bei der bevorrechtigten Regelung jeweils
nur ein Regelvierpol diese Änderung der Frequenzcharakteristik zeigen kann, wird
somit auch bei vielen Regelstufen, entsprechend einem sehr großen Regelbereich,
die Änderung der Frequenzcharakteristik des Gesamtverstärkers sehr gering gehalten.
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Ein Ausführungsbeispiel für eine derartige Schaltung zeigt die F i
g. 3, in der ein 10stufiger Transistorverstärker mit drei Regelvierpolen versehen
ist. Die Regelvierpole sind hierbei jeweils durch gestrichelte Linien hervorgehoben
und entsprechend mit 1, I1 und III bezeichnet. Die einzelnen Verstärkerstufen sind
jeweils in Basisschaltung ausgeführt, wodurch sich die Schaltung des einzelnen Regelvierpols
in der Weise vereinfacht, daß der in Übertragungsrichtung zweite Querwiderstand
D 3 (vgl. F i g. 1) entfallen kann. Die hochfrequenzmäßige Kopplung des für einen
Frequenzbereich von beispielsweise 50 bis 90 MHz bestimmten Breitbandverstärkers
besteht aus einer Spule mit Kopplungskapazität und aus Widerständen. Zu der vorerwähnten
Korrektur der
Frequenzcharakteristik bei der Ausregelung des einzelnen
Regelvierpols dient die hochfrequenzmäßige Parallelschaltung aus der im Wert einstellbaren
Kapazität von beispielsweise 6 bis 30 Pikofarad und dem Widerstand R4. Diese Parallelschaltung
liegt in Reihe mit D 1. Der Widerstand hat z. B. einen Wert von 20 Ohm. Parallel
zu dem regelbaren Längswiderstand D 2 des Regelvierpols ist die erwähnte Reihenschaltung
eines Widerstandes R 5 von z. B. 200 Ohm mit einer der Gleichstromtrennung dienenden
Kapazität vorgesehen. Zusätzlich liegt zumindest hochfrequenzmäßig parallel zu D
1 ein weiterer Widerstand R 6 von z. B. 200 Ohm. Die Widerstände R 4, R 5, R 6 begrenzen
den Regelbereich des Vierpols.
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Die Speisung von D 1 bzw. D 2 erfolgt in der bereits
angegebenen Weise, nämlich daß J 1 so lange gleich Null ist, wie J2 ungleich Null
ist, und J2 so lange gleich Null, wie J 1 ungleich Null ist. Die Flußrichtungen
der Ströme sind bei der gewählten Polung der Dioden gegensätzlich, was durch
- Ur und #I Ur
im Schaltbild angedeutet ist.
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Die Abteilung der Regelspannungen vor allem hinsichtlich der Bevorrechtigung
zwischen den Regelvierpolen I, 1I und 111 kann in der Weise erfolgen, daß
die Ausgangsspannung des Verstärkers gleichgerichtet und drei Regelspannungsstufen
parallel zugeführt wird. Jeder dieser Regelspannungsstufen ist ein bestimmter, von
Regelspannungsstufe zu Regelspannungsstufe steigender Schwellwert der gleichgerichteten
Spannung zugeordnet, ab dem die Stufe wirksam wird. Weiterhin ist jede Stufe derart
auszubilden, daß sie bis zum Wirksamwerden den Querwiderstand ihres zugehörigen
Regelvierpols hochohmig und den Längswiderstand niederohmig steuert und beim Wirksamwerden
die entsprechende Umsteuerung vornimmt.
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Insgesamt ergibt sich für den Verstärker nach der F i g. 3 ein Pegelverlauf
längs des Verstärkers, wie in der F i g. 4 schematisch gezeigt ist. Es sind vier
Fälle mit unterschiedlicher Eingangsspannung gezeigt. Die stark ausgezogene Kurve
Eo gilt für den Fall, daß jede Regelstufe ihre minimale Übertragungsdämpfung hat,
d. h., daß das Eingangssignal noch unter dem Wert liegt, für den die Regelung einsetzen
soll. Bei einem etwas höheren Eingangssignal ergibt sich der Pegelverlauf E 1, und
zwar für Eingangssignale, die innerhalb des Regelbereiches des Regelvierpols III
liegen. Für noch größere Eingangssignale ergeben sich sinngemäß noch :die Pegelverläufe
E 2 und E 3.